Kaliumoplossing maakt zonnecellen efficiënter

Het materiaal is ontdekt door onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (TU Delft) in samenwerking met een internationaal onderzoeksteam, dat onder leiding staat van de Cambridge Universiteit. De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in Nature. Door kaliumjodide aan perovskietzonnecellen toe te voegen kunnen defecten in de kristalstructuur worden hersteld en ionenbeweging worden voorkomen. Beide zaken beperken tot nu toe de efficiëntie van zonnepanelen.

Perovskietzonnecellen zijn relatief nieuw en maken gebruik van metaalhalideperovskieten, een veelbelovende groep halfgeleidermaterialen. Deze cellen kunnen naar verwachting wat betreft rendement na enkele jaren ontwikkelen al concurreren met traditionele fotovoltaïsche technologieën, zoals zonnecellen van multikristallijn silicium. Perovskieten zijn goedkoop en eenvoudig te produceren bij lage temperaturen, wat hen aantrekkelijk maakt voor commerciële toepassingen.

Zonnecellen zijn alleen efficiënt indien lichtabsorptie resulteert in de vorming van vrije elektronen, die voordat zij terugvallen in grondtoestand moeten worden afgevoerd. Hoe efficiënter deze elektronen worden afgevoerd, hoe hoger het rendement van de omzetting van zonlicht in elektriciteit. Door fouten in het kristalrooster van perovskieten kunnen elektronen echter 'vast komen te zitten' voordat zij worden afgevoerd. Een bijkomend probleem is het feit dat negatief geladen ionen in de zonnecel kunnen gaan beweging indien zij belicht worden. Dit ionentransport kan leiden tot een verandering in de bandenkloof, waardoor het afvoeren van elektronen stagneert en minder stroom wordt gegenereerd. 

“Tot nu toe zijn we er niet in geslaagd om deze materialen stabiel te maken met de bandenkloof die we nodig hebben, dus hebben we geprobeerd om de ionenbeweging te stoppen door de chemische samenstelling van de perovskietlagen aan te passen”, vertelt onderzoeksleider dr. Sam Stranks van het Cavendish Laboratory in Cambridge. “Hierdoor zouden perovskieten kunnen worden gebruikt als multifunctionele zonnecellen of als gekleurde leds; dat zijn in feite zonnecellen die omgekeerd werken.” 

De onderzoekers hebben de chemische samenstelling van de perovskietlagen veranderd door kaliumjodide toe te voegen aan de inkt die de perovskiet uitgangsstoffen bevat. De techniek die hierbij is gebruikt is zowel schaalbaar als goedkoop. De onderzoekers stellen veelbelovende prestaties te hebben gerealiseerd met perovskietzonnecellen, die goed gecombineerd kunnen worden met een siliciumzonnecel of een perovskietzonnecel met een andere bandenkloof. In het laatste geval ontstaat een zogenaamde tandemzonnecel, waarbij zonlicht efficiënter kan worden benut uit een breder deel van het zonnespectrum. “We constateerden dat het transport van vrije elektronen in de perovskietlaag verbeterde wanneer we kleine hoeveelheden kalium toevoegden”, zegt Eline Hutter van de TU Delft. “Hierdoor worden elektronen beter afgevoerd en dit verbetert het rendement van de zonnecellen.”

De perovskietcellen met kalium hebben in testen een goede stabiliteit laten zien. Het rendement van de omzetting van licht in elektriciteit is 21,5%, wat vergelijkbaar is met de beste perovskietzonnecellen en niet veel minder dan het maximale rendement van zonnecellen op basis van mono-kristallijn silicium (minder dan 27%). Tandemcellen met een ideale bandenkloof hebben een theoretische rendementslimiet van 45% en een praktisch limiet van 35%. Beide zijn hoger dan de huidige praktische rendementslimieten van silicium.